JP6807983B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
周知のように、AC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ、及びインバータなどの電力変換装置に使用される半導体スイッチング素子は、一般的には、200[V]から400[V]の電圧レンジで使用するMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、あるいは、IGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor)などの半導体スイッチング素子であるが、それら半導体スイッチング素子は、一般的に低温側での耐圧値が低いという特性を有している。
したがって、従来の電力変換装置は、半導体スイッチング素子の低温側での耐圧値を考慮して、環境温度に応じて通電する電流値を定格値以下に抑制する、いわゆる温度ディレーティング(derating)を行なったり、あるいは低温側でも半導体スイッチング素子の保護が成立するように、低温側の耐圧値に合わせてより高耐圧な半導体スイッチング素子を使用するようにしている。
また、従来の電力変換装置は、内部の半導体スイッチング素子の破壊を防止するために、ソフトウェアを用いたソフトウェア遮断方式による保護装置、又は、ハードウェアを用いたハードウェア遮断方式による保護装置を設けている。特に、ハードウェア遮断方式による保護装置では、電力変換装置の主回路に於ける半導体スイッチング素子が破壊に至る前に、電力変換装置の電力変換動作を停止させる必要がある。
ハードウェア遮断方式による保護装置を備えた従来の装置として、例えば特許文献1から特許文献3に開示された装置がある。特許文献1に開示された従来の車両用電源供給装置は、電流検出部にリニア正温度係数素子を用い、リニア正温度係数素子を半導体スイッチに近接配置して熱結合させ、リニア正温度係数を有する素子の温度係数値を適切に選択することにより、異常検出部で用いる過電流保護特性を好適に調整することができるようにしている。特許文献1による車両用電源供給措置によれば、バックアップ制御回路により、ゲートドライバIC(Integrated Circuit)が停止したときの電力供給を冗長化できるとされる。
また、特許文献2に開示された従来の基準電圧回路は、ツェナーダイオード、およびこのツェナーダイオードに直列に接続されてツェナーダイオードに一定の電流を流通させるバイアス電流回路からなり、基準電位と電源電圧との間に介装されてツェナーダイオードに所定の降伏電圧を生起する定電圧回路を備えると共に、直列に接続された第1の抵抗および第2の抵抗からなり、ツェナーダイオードに並列に接続されてツェナーダイオードに生起された降伏電圧を分圧して基準電圧を生成する抵抗分圧回路を備えている。特許文献2に開示された基準電圧回路によれば、電源電圧の変動および温度変化に拘わることなく一定の基準電圧を安定に生成することができるとされる。
さらに、特許文献3に開示された従来の基準電圧回路は、少なくとも4つ以上の抵抗を用い、それぞれの抵抗の特性を調整することによって、温度変動の影響を高精度に補償すること、および電源電圧変動の影響を補償するようにしている。特許文献3に開示された従来の基準電圧回路によれば、安定した基準電圧を出力することができるとされる。
特許第5778022号公報 特許第6061033号公報 特許第4603378号公報
前述のように従来の電力変換装置は、雰囲気温度に合せて適正に半導体スイッチング素子を保護することができないために、温度ディレーティングを実施したり、低温側でも保護が成立するように低温側の耐圧値に合わせてより高耐圧な半導体スイッチング素子を使用していたため、高価な半導体スイッチング素子を選定する必要があった。
また、特許文献1に開示された従来の車両用電源供給装置は、半導体スイッチング素子直近の温度を検出するように構成しているが、MOSFETなどの半導体スイッチング素子を採用する場合、一般的な半導体パッケージにはこのような検温ダイオードが実装されておらず、特別構成とする必要がある。さらに、基準電圧回路において、サーミスタと直列に抵抗が接続されていないため、サーミスタのショート故障時に基準電圧が0[V]になり、半導体スイッチング素子を保護できなくなる可能性がある。
また、特許文献2、および特許文献3に開示された従来の基準電圧回路は、雰囲気の温度変化に対して閾値が変動しないよう温度電圧特性をキャンセルさせるような使用がなされているが、閾値が変動しないため、半導体スイッチング素子の温度ディレーティングを採用して、低温側の耐圧量に合わせてより高価で高耐圧な半導体スイッチング素子を選定する必要があった。
さらに、特許文献1から特許文献3に開示された従来の装置の場合、温度電圧特性を補正あるいはキャンセルさせるために付加した機構の一部が失陥した場合に、閾値が大きく変動し、適正な保護ができなくなる可能性があった。
本願は、前述のような課題を解決するための技術を開示するものであり、雰囲気温度に対応して半導体スイッチング素子を保護することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
前記閾値を生成する基準電圧回路と、
前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
を備え、
前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
前記センサは、前記電気量に対して負特性の出力を発生するように構成され、
前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたNTC特性を有するサーミスタとを備え、
前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第2の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
ことを特徴とする。
また、本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
前記閾値を生成する基準電圧回路と、
前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
を備え、
前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
前記センサは、前記電気量に対して負特性の出力を発生するように構成され、
前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたPTC特性を有するサーミスタとを備え、
前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第1の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
ことを特徴とする。
また、本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
前記閾値を生成する基準電圧回路と、
前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
を備え、
前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
前記センサは、前記電気量に対して正特性の出力を発生するように構成され、
前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたNTC特性を有するサーミスタとを備え、
前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第1の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
ことを特徴とする。
さらに、本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
前記閾値を生成する基準電圧回路と、
前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
を備え、
前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
前記センサは、前記電気量に対して正特性の出力を発生するように構成され、
前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたPTC特性を有するサーミスタとを備え、
前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第2の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
ことを特徴とする。
また、本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
前記センサの出力を補正するセンサ出力補正回路と、
前記センサ出力補正回路の出力と基準値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
を備え、
前記センサ出力補正回路は、前記センサの出力が入力され、前記電気量に対して正特性の出力を発生するように構成され、
前記コンパレータの前記基準値は、固定値とされ、
前記センサ出力補正回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記センサの出力を補正するように構成されているとともに第1の分圧抵抗と、第2の分圧抵抗と、抵抗と直列に接続されたPTC特性を有するサーミスタとを備え、
前記抵抗と前記サーミスタの直列回路は、前記第2の分圧抵抗に対して並列接続されている、
ことを特徴とする。
本願に開示される電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、前記閾値を生成する基準電圧回路と、前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路とを備え、前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成されているので、雰囲気温度に対応して半導体スイッチング素子を保護することができ、低温側の耐圧値に合わせてより高耐圧な半導体スイッチング素子を使用する必要がなく、安価な半導体スイッチング素子を選定することができる。
また、本願に開示される電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、前記センサの出力を補正するセンサ出力補正回路と、前記センサ出力補正回路の出力と基準値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路とを備え、前記センサ出力補正回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記センサ出力を補正するように構成されているので、雰囲気温度に対応して半導体スイッチング素子を保護することができ、低温側の耐圧値に合わせてより高耐圧な半導体スイッチング素子を使用する必要がなく、安価な半導体スイッチング素子を選定することができる。
実施の形態1による電力変換装置を示すブロック図である。 実施の形態1による電力変換装置の基本的な原理を示す説明図である。 実施の形態1による電力変換装置の主回路の回路図である。 実施の形態1による電力変換装置の一部分を示す構成図である。 実施の形態2による電力変換装置の一部分を示す構成図である。 実施の形態3による電力変換装置の一部分を示す構成図である。 実施の形態3による電力変換装置の基本的な原理を示す説明図である。 実施の形態4による電力変換装置の一部分を示す構成図である。 実施の形態5による電力変換装置の一部分を示す構成図である。
実施の形態1.
以下、実施の形態1による電力変換装置を図に基づいて説明する。図1は、実施の形態1による電力変換装置を示すブロック図である。図1において、電力変換装置1は、主回路2と、過電圧保護機構19を備えている。過電圧保護機構19は、制御回路6と、入力電圧センサ3と、基準電圧回路4と、コンパレータ5と、を備えている。
パワープラント(Powerplant)としての主回路2は、後述するように、MOSFET、IGBTなどの半導体スイッチング素子、トランス、コイル、整流ダイオード、コンデンサなどの構成部材を有するDC/DCコンバータにより構成されている。なお、実施の形態1では、電力変換装置1は、DC/DCコンバータにより構成された主回路2を有しているが、主回路2は、MOSFET、IGBTなどの半導体スイッチング素子、平滑コンデンサなどを有するブリッジ回路からなるコンバータ若しくはインバータにより構成されていてもよい。
制御回路6は、主回路2の構成部材としての半導体スイッチング素子を制御するとともに、コンパレータ5の出力に基づいて主回路2の動作を停止させ、又は停止状態から動作を再開させ得るように構成されている。センサとしての入力電圧センサ3は、主回路2の予め定められた回路部位の物理量を検出し、検出した物理量に対応したセンサ出力を発生する。実施の形態1では、入力電圧センサ3は、物理量としての電圧を検出するように構成されているが、電流、若しくは半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度であってもよい。
一般的なセンサは、検出する物理量としての入力の増加に対して出力がリニアに増加するリニア正特性を有する場合と、入力の増加に対して出力がリニアに減少するリニア負特性を有する場合と、入力の増加に対して出力が非線形に変化する非線形特性を有する場合などがあるが、実施の形態1では、説明を簡単とするため、入力電圧センサ3は、リニア負特性を有するものとするが、リニア正特性、若しくは非線形特性を有するものであってもよい。
基準電圧回路4は、主回路2のハードウェア遮断による保護動作を実施するための閾値を生成する回路であって、半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気の温度(以下、雰囲気温度と称する)に応じて閾値を変動させるように構成されている。閾値は、例えば、ロードダンプ(Load Dump)などで母線電圧が上昇し、主回路2の変換動作によりサージ電圧、もしくはリップル電圧などが発生した場合であっても、主回路2の構成部材である半導体スイッチング素子が最大定格に至らないように設定される。
図2は、実施の形態1による電力変換装置の基本的な原理を示す説明図である。図2の(A)は入力電圧センサ3の出力特性図を示し、横軸はセンサ入力でとしての入力電圧[V]を示し、縦軸はセンサ出力としての出力電圧[V]を示している。図2の(A)に示すように、入力電圧センサ3は、リニア負特性の出力特性を有している。
図2の(B)は、基準電圧回路4が生成する閾値と雰囲気温度の関係を示す特性図であり、縦軸は閾値、横軸は雰囲気温度[℃]を示している。図2の(B)に示すように、基準電圧回路4は、半導体スイッチング素子を保護するための閾値として、可能性のある最も低い雰囲気温度として−40[℃]での閾値T1を最大の閾値とし、雰囲気温度−40[℃]から雰囲気温度25[℃]までの間で、雰囲気温度が上昇するにしたがって閾値を閾値T1から閾値T2まで漸減させるように構成されている。雰囲気温度が25[℃]を超えれば、基準電圧回路4が生成する閾値はT2で一定となる。
図1において、コンパレータ5は、入力電圧センサ3からの出力と、基準電圧回路4からの閾値とを比較し、センサ3からの出力が基準電圧回路4で生成された閾値以下であれば、主回路2の予め定められた部位の電圧が異常であると判定し、後段の制御回路6へ主回路2の異常を伝達する。すなわち、図2の(A)と図2の(B)に示すように、雰囲気温度が例えば−40[℃]であれば、センサ入力がV1[V]以上のときにセンサ出力が閾値T1以下となり、コンパレータ5は主回路2の前述の部位の電圧が異常であると判定し、後段の制御回路6へ主回路2の異常を伝達する。雰囲気温度が例えば25[℃]以上であれば、センサ入力がV2[V]以上のときにセンサ出力が閾値T2以下となり、コンパレータ5は主回路2の前述の部位の電圧が異常であると判定し、後段の制御回路6へ主回路2の異常を伝達する。
前述のように、基準電圧回路4は、雰囲気温度が−40[℃]から25[℃]までの間では、雰囲気温度が上昇するにしたがって閾値をT1からT2まで漸減させ、逆に雰囲気温度が低下するにしたがって閾値をT2からT1まで漸増させる。したがって、例えば雰囲気温度が−40[℃]より高い25[℃]であれば、閾値T2となり、コンパレータ5は、入力電圧センサ3の出力が閾値T2以下のときに主回路2の回路部位の電圧が異常であると判定し、後段の制御回路6へ主回路2の異常を伝達することになる。
即ち、半導体スイッチング素子は、25[℃]以下の低温時には通常時よりも低い電圧で保護されるので、低温側で低耐圧である半導体スイッチング素子であっても破壊に至ることはない。
制御回路6は、コンパレータ5から主回路の異常を示す信号を受けたとき、主回路2の動作を停止させる。又、主回路2が動作を停止しているとき、コンパレータ5からの出力が主回路2の正常を示すものとなれば、制御回路6は主回路2の運転を再開させる。
以上述べたように、実施の形態1による電力変換装置は、半導体スイッチング素子の雰囲気温度に合わせて主回路の異常を判定するための閾値が変化するようにしているので、従来の装置のように半導体スイッチング素子の温度ディレーティングを実施したり、低温側保護を成立させるべく低温側耐圧値に合わせてより高耐圧な半導体スイッチング素子を使用する必要がなく、安価な半導体スイッチング素子を選定することができる。
図3は、実施の形態1による電力変換装置の主回路の回路図であって、主回路2はDC/DCコンバータにより構成されている場合を示している。図3において、DC/DCコンバータの主回路2は、入力部の電圧Viを有する高圧バッテリ7から出力側の負荷17、電圧Voを有する低圧バッテリ18までの要素で構成されている。高圧バッテリ7の後段には、MOSFETである4つの半導体スイッチング素子、すなわち第1の半導体スイッチング素子8と、第2の半導体スイッチング素子9と、第3の半導体スイッチング素子10と、第4の半導体スイッチング素子11と、が接続されている。
第1の半導体スイッチング素子8のドレインと第2の半導体スイッチング素子9のソースとの接続点は、トランス12の一次巻線121の一端に接続され、トランス12の一次巻線121の他端には、第3の半導体スイッチング素子10のドレインと第4の半導体スイッチング素子11のソースとの接続点が接続されている。
トランス12の二次巻線122の後段には、第1の整流ダイオード13のアノードと、第2の整流ダイオード14のアノードと、が接続されている。第1の整流ダイオード13と第2の整流ダイオード14のカソードは、平滑リアクトル15に接続されている。平滑リアクトル15の後段には平滑コンデンサ16と、出力側の負荷17と、低圧バッテリ18と、が接続されている。
第1の半導体スイッチング素子8、第2の半導体スイッチング素子9、第3の半導体スイッチング素子10、および第4の半導体スイッチング素子11は、図1に示す制御回路6によりオン・オフ駆動される。第1の半導体スイッチング素子8と第4の半導体スイッチング素子11は、同時にオン駆動又はオフ駆動され、第2の半導体スイッチング素子9と第3の半導体スイッチング素子10は、同時にオン駆動又はオフ駆動される。
そして、第1の半導体スイッチング素子8と第4の半導体スイッチング素子11とがオン駆動されているときは、第2の半導体スイッチング素子9と第3の半導体スイッチング素子10はオフ駆動され、第2の半導体スイッチング素子9と第3の半導体スイッチング素子10とがオン駆動されているときは、第1の半導体スイッチング素子8と第4の半導体スイッチング素子11はオフ駆動される。
第1の半導体スイッチング素子8と第4の半導体スイッチング素子11がオン駆動されたとき、トランスの二次巻線122の一部と、第1の整流ダイオード13と、平滑リアクトル15と平滑コンデンサ16、および負荷17と低圧バッテリ18からなる閉回路に二次電流が流れる。他方、第2の半導体スイッチング素子9と第3の半導体スイッチング素子10がオン駆動されたとき、トランスの二次巻線122の他の一部と、第2の整流ダイオード14と、平滑リアクトル15と平滑コンデンサ16、および負荷17と低圧バッテリ18からなる閉回路に二次電流が流れる。
このように、第1の半導体スイッチング素子8と第4の半導体スイッチング素子11に対して、第2の半導体スイッチング素子9と第3の半導体スイッチング素子10が、交互に互いに相反するように駆動されることで、入力側の高圧バッテリと出力側の低圧バッテリ18との間で電力変換が行われ、負荷17が駆動される。
なお、実施の形態1では、電力変換装置1の主回路2がDC/DCコンバータである場合を一例として挙げたが、前述のように主回路2がAC/DCコンバータもしくはインバータであってもよく、さらに、入力および負荷はバッテリに限られるものではない。
図4は、実施の形態1による電力変換装置の一部分を示す構成図であって、過電圧保護機構19の詳細を示している。過電圧保護機構19は、図1にも示したように、入力電圧センサ3と、基準電圧回路4と、コンパレータ5と、制御回路6とからなる。
入力電圧センサ3は、主回路2の高圧バッテリ7と第1の半導体スイッチング素子8との間の物理量としての電圧を検出し、その検出した電圧の値に対応した信号を出力する。基準電圧回路4は、前述のように半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に応じて変動する閾値を生成する。コンパレータ5は、基準電圧回路4からの閾値と入力電圧センサ3の出力とを比較する。
制御回路6は、コンパレータ5の出力が主回路の異常を示しているときに、主回路2の動作を停止して、第1の半導体スイッチング素子8と、第2の半導体スイッチング素子9と、第3の半導体スイッチング素子10と、第4の半導体スイッチング素子11を保護する。また、コンパレータ5の出力が主回路の正常を示しているときは、主回路2を動作させる。
入力電圧センサ3は、前述の検出した電圧の値に対応した出力を後段のコンパレータ5へ入力する。ここで、入力電圧センサ3は、前述のように、検出する入力量としての電圧に対してリニア負特性の出力を発生する。
基準電圧回路4は、第1の分圧抵抗RAと、第1の分圧抵抗RAに直列接続された第2の分圧抵抗RBと、抵抗RCと、抵抗RCに直列に接続されたNTC(Negative Temperature Coefficient:負の温度係数)特性を有するサーミスタ(Thermistor)RTとを備えている。直列接続されたサーミスタRTと抵抗RCは、第2の分圧抵抗RBに並列接続されている。
直列接続されたサーミスタRTと抵抗RCが、第2の分圧抵抗RBに並列接続されることで、前述の図2の(B)に示す特性を有する閾値を生成することができる。基準電圧回路4が生成する閾値は、主回路2の半導体スイッチング素子が置かれている環境の雰囲気温度が、前述のように例えば−40[℃]から25[℃]の間で、その雰囲気温度に応じて変動する。ここで、基準電圧回路4の生成する閾値は、例えば、ロードダンプなどで母線電圧が上昇して主回路2の電力変換動作によりサージ電圧、リップル電圧などが生じた場合であっても、半導体スイッチング素子の最大定格に至らないように設定される。
また、抵抗RCは、第2の分圧抵抗RBの抵抗値に対して、1桁以上で2桁以下の範囲の倍数の大きさを有する抵抗値を有する。これにより、基準電圧回路4により生成される基本的な閾値は、第1の分圧抵抗RAと第2の分圧抵抗RBによる分圧比で決定される。したがって、仮に、抵抗RCとサーミスタRTとのうちの何れかが故障した場合であっても、その故障による付加機能失陥によって閾値が大きく変動することはなく、故障発生時の影響を軽減することができる。

なお、第1の分圧抵抗RA、第2の分圧抵抗RB、抵抗RCは、それぞれ複数個の抵抗素子を組み合わせて構成されてもよい。このようにすれば、閾値の設定の自由度を向上させることができる。
コンパレータ5は、入力電圧センサ3の出力と基準電圧回路4が生成する閾値とを比較し、入力電圧センサ3の出力か正常か異常かを判定し、その判定結果を示す信号を制御回路6へ入力する。制御回路6は、コンパレータ5からの信号が入力電圧センサ3の出力が異常である判定されたことを示す信号であれば、主回路2の動作を停止させ、コンパレータ5からの信号が入力電圧センサ3の出力が正常範囲に戻ったことを示す信号を受けたときに、主回路2の動作を再開させる。
以上述べた実施の形態1による電力変換装置によれば、半導体スイッチング素子の雰囲気温度に合わせて閾値を変化させることができるため、従来の装置のように半導体スイッチング素子の温度ディレーティングを行なう必要がなく、あるいは低温側保護を成立させるために低温側耐圧値に合わせてより高耐圧特性を有する半導体スイッチング素子を使用する必要がなく、安価な半導体スイッチング素子を選定することができる。
また、前述の特許文献1から特許文献3に開示された従来の装置の場合、温度電圧特性を補正あるいはキャンセルさせるために付加した機構の一部が失陥したときに、構成部材を保護するための閾値の範囲が大きく変動し、構成部材の保護が行われなくなる可能性があったが、本願の実施の形態1による電力変換装置によれば、基準電圧回路4により生成される基本的な閾値は、第1の分圧抵抗RAと第2の分圧抵抗RBによる分圧比で決定されるので、仮に、抵抗RCとサーミスタRTとのうちの何れかが故障した場合であっても、その故障による付加機能失陥によって閾値が大きく変動することはなく、故障発生時の影響を軽減することができる。
実施の形態2.
次に、実施の形態2による電力変換装置について説明する。図5は、実施の形態2による電力変換装置の一部分を示す構成図であって、過電圧保護機構を示している。実施の形態2による電力変換装置の基本的な構成は、実施の形態1と同様に図1、および図2に示す通りである。図5において、基準電圧回路41は、第1の分圧抵抗RAと、第2の分圧抵抗RBと、抵抗RCと直列に接続されたPTC(Positiv Temperature Coefficient:正の温度係数)特性のサーミスタRTとを備えている。抵抗RCとサーミスタRTとの直列回路は、第1の分圧抵抗RAに対して並列接続されている。
ここで、抵抗RCは、第1の分圧抵抗RAの抵抗値に対して、1桁以上で2桁以下の範囲の倍数の抵抗値有するように構成されている。このように構成することで、基本的な閾値は、第1の分圧抵抗RAと第2の分圧抵抗RBによる分圧比で決まることになり、仮に、抵抗RCとサーミスタRTとのうちのいずれかが故障してその付加機能失陥が発生しても、閾値が大きく変動することがなく、その故障発生時の影響を軽減することができる。その他の構成及び動作は、実施の形態1の電力変換装置と同様であり、実施の形態1の場合と同様の効果を有する。
実施の形態3.
次に、実施の形態3による電力変換装置について説明する。図6は、実施の形態3による電力変換装置の一部分を示す構成図であって、過電圧保護機構を示している。実施の形態3による電力変換装置の基本的な構成は、実施の形態1と同様に図1に示す通りである。図6において、基準電圧回路42は、第1の分圧抵抗RAと、第2の分圧抵抗RBと、抵抗RCと直列に接続されたNTC特性のサーミスタRTとを備え、抵抗RCとサーミスタRTの直列回路は、第1の分圧抵抗RAに対して並列接続されている。また、入力電圧センサ3は、リニア正特性の出力特性を有する。
図7は、実施の形態3による電力変換装置の基本的な原理を示す説明図である。図7の(A)は入力電圧センサ3の出力特性図を示し、横軸はセンサ入力でとしての入力電圧[V]を示し、縦軸はセンサ出力としての出力電圧[V]を示している。図7の(A)に示すように、入力電圧センサ3は、リニア正特性の出力特性を有している。
図7の(B)は、基準電圧回路4が生成する閾値と雰囲気温度の関係を示す特性図であり、縦軸は閾値、横軸は雰囲気温度[℃]を示している。図7の(B)に示すように、基準電圧回路42は、半導体スイッチング素子を保護するための閾値として、可能性のある最も低い雰囲気温度として−40[℃]での閾値T1を最小の閾値とし、雰囲気温度−40[℃]から雰囲気温度25[℃]までの間で、雰囲気温度が上昇するにしたがって閾値を閾値T1から閾値T2まで漸増させるように構成されている。雰囲気温度が25[℃]を超えれば、基準電圧回路4が生成する閾値はT2で一定となる。
コンパレータ5は、入力電圧センサ3からの出力と、基準電圧回路4からの閾値とを比較し、センサ3の出力が基準電圧回路4で生成された閾値以上であれば異常であると判定し、後段の制御回路6へ主回路2の異常を伝達する。すなわち、図7の(A)と図7の(B)に示すように、雰囲気温度が例えば−40[℃]であれば、センサ入力がV1[V]以上のとき、即ちセンサ出力が閾値T1以上のときに、主回路2の運転が停止され、半導体スイッチング素子が破壊に至る前に保護される。雰囲気温度が例えば25[℃]以上であれば、センサ入力がV2[V]以上のとき、即ちセンサ出力が閾値T2以上のときに、主回路2の運転が停止され、半導体スイッチング素子が破壊に至る前に保護される。
前述のように、雰囲気温度が−40[℃]から25[℃]までの間では、雰囲気温度が上昇するにしたがって閾値をT1からT2まで漸増させる。逆に、基準電圧回路4は、雰囲気温度が−40[℃]から25[℃]までの間では、雰囲気温度が低下するにしたがって閾値をT2からT1まで漸減させる。つまり、基準電圧回路4は、雰囲気温度に応じて変化する半導体スイッチング素子などの構成部材の耐圧の変化に対応させて、閾値を変化させるように構成されている。
制御回路6は、コンパレータ5から主回路の異常を示す信号を受けたとき、主回路2の動作を停止させる。又、このようにして主回路2が動作を停止しているとき、前述の異常から正常に回復すれば、コンパレータ5から主回路2の正常を示す信号が制御回路6に出され、これにより制御回路6は主回路2の運転を再開させる。
実施の形態3によれば、図7の(B)に示すような閾値の特性が得られるので、基準電圧回路からの閾値は、主回路2の半導体スイッチング素子の雰囲気温度に応じて変動する。基準電圧回路42が生成する閾値は、例えば、ロードダンプなどで母線電圧が上昇して、主回路の変換動作によりサージ電圧、もしくはリップル電圧を生じた場合であっても、半導体スイッチング素子の最大定格に至らないように設定される。
ここで、抵抗RCは、第1の分圧抵抗RAの抵抗値に対して、1桁以上で2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する。このようにすることで、基本的な閾値は、第1の分圧抵抗RAと第2の分圧抵抗RBとによる分圧比で決まるので、仮に、抵抗RC、サーミスタRTのうちのいずれかが故障してその付加機能失陥が生じても、閾値が大きく変動することがなく、故障発生時の影響を軽減することができる。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1の場合と同様の効果を奏することができる。
実施の形態4.
次に、実施の形態4による電力変換装置について説明する。図8は、実施の形態4による電力変換装置の一部分を示す構成図であって、過電圧保護機構を示している。実施の形態4の基本的な構成は実施の形態1と同様に図1に示す通りである。図8において、基準電圧回路43は、第1の分圧抵抗RAと、第2の分圧抵抗RBと、抵抗RCと直列に接続されたPTC特性を有するサーミスタRTとを備えている、抵抗RCとサーミスタRTの直列回路は、第2の分圧抵抗RBに対して並列接続されている。
実施の形態4によれば、前述の図7に示す特性を得られるので、基準電圧回路43が生成する閾値は、主回路2の雰囲気温度に応じて変動する。基準電圧回路43の生成する閾値は、例えば、ロードダンプなどで母線電圧が上昇して、主回路2の変換動作によりサージ電圧、リップル電圧などが発生しても半導体スイッチング素子の最大定格に至らないように設定される。
ここで、抵抗RCは、第2の分圧抵抗RBの抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する。このように構成することで、基本的な閾値は、第1の分圧抵抗RAと第2の分圧抵抗RBとによる分圧比で決定されるので、仮に、抵抗RC、サーミスタRTのうちのいずれかが故障してその付加機能失陥が生じても、閾値が大きく変動することがなく、故障発生時の影響を軽減することができる。その他の構成は実施の形態1と同様であり、実施の形態1の場合と同様の効果を奏することができる。
実施の形態5.
次に、実施の形態5による電力変換装置について説明する。図9は、実施の形態5による電力変換装置の一部分を示す構成図であって、過電圧保護機構を示している。前述の実施の形態1から実施の形態4では、基準電圧回路に、第1の分圧抵抗RA、第2の分圧抵抗RB、抵抗RC、およびサーミスタRTを付加して、基準電圧回路により生成する閾値を雰囲気温度により変動させる構成としたが、実施の形態5では、コンパレータ5に入力される基準電位を固定値とし、入力電圧センサ3の出力に、第1の分圧抵抗RA、第2の分圧抵抗RB、抵抗RC、およびサーミスタRTからなるセンサ出力補正回路44を付加したものである。
センサ出力補正回路44は、第1の分圧抵抗RAと、第2の分圧抵抗RBと、抵抗RCと直列に接続されたPTC特性を有するサーミスタRTとを備えている、抵抗RCとサーミスタRTの直列回路は、第2の分圧抵抗RBに対して並列接続されている。センサ出力補正回路44は、例えば前述の図8に示す実施の形態4による電力変換装置の基準電圧回路43と同様の機能を有し、たとえば、図7に示す閾値の特性と同様な特性の出力を発生し、コンパレータ5の一方の入力端子に入力する。
ここで、抵抗RCは、第2の分圧抵抗RBの抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する。このように構成することで、センサ出力補正回路44の基本的な出力は、第1の分圧抵抗RAと第2の分圧抵抗RBとによる分圧比で決定されるので、仮に、抵抗RC、サーミスタRTのうちのいずれかが故障してその付加機能失陥が生じても、出力が大きく変動することがなく、故障発生時の影響を軽減することができる。
コンパレータ5は、センサ出力補正回路44からの出力と固定値である基準電位とを比較に基づいて、主回路の異常の有無を判定し、制御回路6に入力する。制御回路6は、コンパレータ5から主回路の異常を示す信号を受けたとき、主回路2の動作を停止させる。又、このようにして主回路2が動作を停止しているとき、前述の異常から正常に回復すれば、コンパレータ5から主回路2の正常を示す信号が制御回路6に出され、これにより制御回路6は主回路2の運転を再開させる。
実施の形態5によれば、入力電圧センサ3の出力がセンサ出力補正回路44により雰囲気温度に応じて補正され、この補正された入力電圧センサの出力と、固定値であるコンパレータ5の基準値とを比較する。これにより、実施の形態1から実施の形態4の場合と同様の効果を得ることができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
1 電力変換装置、2 主回路、3 入力電圧センサ、
4、41、42、43 基準電圧回路、44 センサ出力補正回路、5 コンパレータ、6 制御回路、7 高圧バッテリ、8 第1の半導体スイッチング素子、
9 第2の半導体スイッチング素子、10 第3の半導体スイッチング素子、
11 第4の半導体スイッチング素子、12 トランス、13 第1の整流ダイオード、
14 第2の整流ダイオード、15 平滑リアクトル、16 平滑コンデンサ、
17 負荷、18 低圧バッテリ、19 過電圧保護機構、RA 第1の分圧抵抗、
RB 第2の分圧抵抗、RC 抵抗、RT サーミスタ

Claims (12)

  1. 半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
    前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
    前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
    前記閾値を生成する基準電圧回路と、
    前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
    を備え、
    前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
    前記センサは、前記電気量に対して負特性の出力を発生するように構成され、
    前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたNTC特性を有するサーミスタとを備え、
    前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第2の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記サーミスタに直列接続された抵抗は、前記第2の分圧抵抗の抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
    前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
    前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
    前記閾値を生成する基準電圧回路と、
    前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
    を備え、
    前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
    前記センサは、前記電気量に対して負特性の出力を発生するように構成され、
    前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたPTC特性を有するサーミスタとを備え、
    前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第1の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 前記サーミスタに直列接続された抵抗は、前記第1の分圧抵抗の抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  5. 半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
    前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
    前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
    前記閾値を生成する基準電圧回路と、
    前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
    を備え、
    前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
    前記センサは、前記電気量に対して正特性の出力を発生するように構成され、
    前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたNTC特性を有するサーミスタとを備え、
    前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第1の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 前記サーミスタに直列接続された抵抗は、前記第1の分圧抵抗の抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  7. 半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
    前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
    前記センサの出力と閾値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
    前記閾値を生成する基準電圧回路と、
    前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
    を備え、
    前記基準電圧回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記閾値を変化させるように構成され、
    前記センサは、前記電気量に対して正特性の出力を発生するように構成され、
    前記基準電圧回路は、第1の分圧抵抗と、前記第1の分圧抵抗に直列接続された第2の分圧抵抗と、抵抗と直列接続されたPTC特性を有するサーミスタとを備え、
    前記抵抗と前記サーミスタとの直列回路は、前記第2の分圧抵抗に対して並列に接続されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  8. 前記サーミスタに直列接続された抵抗は、前記第2の分圧抵抗の抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項に記載の電力変換装置。
  9. 前記第1の分圧抵抗と、前記第2の分圧抵抗と、前記サーミスタに直列接続された抵抗は、それぞれ少なくとも一つの抵抗素子により構成されている、
    ことを特徴とする請求項1から8のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
  10. 前記センサが検出する前記電気量は、電圧又は電流である、
    ことを特徴とする請求項1から9のうちの何れか一項に記載の電力変換装置。
  11. 半導体スイッチング素子を駆動して電力変換を行なうよう動作する主回路と、
    前記主回路の予め定められた部位の電気量を検出し、前記検出した電気量に対応する出力を発生するセンサと、
    前記センサの出力を補正するセンサ出力補正回路と、
    前記センサ出力補正回路の出力と基準値との比較に基づく出力を発生するコンパレータと、
    前記コンパレータの出力に基づいて、前記主回路の動作を停止させ得るように構成された制御回路と、
    を備え、
    前記センサ出力補正回路は、前記センサの出力が入力され、前記電気量に対して正特性の出力を発生するように構成され、
    前記コンパレータの前記基準値は、固定値とされ、
    前記センサ出力補正回路は、前記半導体スイッチング素子が置かれている雰囲気温度に依存して、前記センサの出力を補正するように構成されているとともに、第1の分圧抵抗と、第2の分圧抵抗と、抵抗と直列に接続されたPTC特性を有するサーミスタとを備え、
    前記抵抗と前記サーミスタの直列回路は、前記第2の分圧抵抗に対して並列接続されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  12. 前記サーミスタに直列接続された抵抗は、前記第2の分圧抵抗の抵抗値に対して1桁以上2桁以下の範囲の倍数の抵抗値を有する、
    ことを特徴とする請求項11に記載の電力変換装置。
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